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WÄRMEBEHANDLUNG STAHL

Stahl ist bis heute der wichtigste Werkstoff vieler Industrien und Wirtschaftszweige. Im Grunde besteht jeder Stahl zum größten Teil aus Eisen. Was die einzelnen Stähle jedoch so besonders macht, sind die weiteren zugemischten Stoffe, die sogenannten Legierungselemente. Das Legierungselement mit der größten Bedeutung ist Kohlenstoff: Stähle mit 0,1 % Kohlenstoffgehalt sind praktisch nicht härtbar, mit 0,7 % Kohlenstoff können sie jedoch bereits die maximale Härte erreichen. Durch die Zugabe von anderen Legierungselementen wie Chrom, Nickel, Wolfram, etc., können die mechanischen Kennwerte und die Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffes weiter verbessert werden. Um die gewünschten Eigenschaften eines Bauteils einzustellen, reicht es jedoch nicht, nur den richtigen Stahl zu wählen. Nur durch eine der Stahlsorte entsprechende Wärmebehandlung erhält das Bauteil am Ende die geforderten Eigenschaften.

Voraussetzung für das Verständnis jeglicher Wärmebehandlung ist die Kenntnis des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms. Mit Hilfe des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms wird ersichtlich, in welchem Zustand sich ein niedrig- oder unlegierter Stahl mit bekanntem Kohlenstoffgehalt bei einer bestimmten Temperatur befindet und welche Gefügestruktur bei welchem Temperaturverlauf zu erwarten ist. Doch sehen Sie selbst:

Eisen – Kohlenstoff – Diagramm

Für den Laien ist das Härten ein scheinbar simpler Prozess, doch einfach sind die Vorgänge beim Härten leider nicht. Zum Verständnis: Bei einem einzigen Härtevorgang geraten mehr Atome in Bewegung und verändern ihren Platz im Bauteil, als im Laufe eines Tages in einem aktiven Atomreaktor.
Vor diesem Hintergrund wird klar, dass das Härten bzw. die Wärmebehandlung ein hoch komplexes Verfahren ist, das von erfahrenen Experten optimal gesteuert und kontrolliert werden muss. Nur so erhalten Ihre Bauteile die gewünschten Eigenschaften und werden optimiert.

Da man den Bauteilen die Veredelung durch die Wärmebehandlung nicht ansieht und nur unter dem Mikroskop erkennen kann, was wir mit Ihrem Bauteil gemacht haben, ist Härten Vertrauenssache. Ihre Bauteile sind bei uns in sicheren Händen.

EINSATZHÄRTEN

Das Verfahren des Einsatzhärtens kommt immer dann zur Anwendung, wenn man bei einem Bauteil einen zähen Kern und gleichzeitig eine verschleißbeständige, harte Oberfläche haben möchte. Dafür wird das Werkstück aus Einsatzstahl im Randbereich aufgekohlt und anschließend abgeschreckt (gehärtet). Das Einsatzhärten erfolgt in der Regel bei Temperaturen zwischen 880 bis 980 °C in einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre, wodurch die Oberfläche des Bauteils durch Diffusion mit Kohlenstoff angereichert wird. Nach dem Aufkohlen wird das Bauteil in Öl, Wasser oder speziellen Polymerlösungen abgeschreckt. Infolgedessen erfährt der aufgekohlte Bereich eine deutliche Härtesteigerung. Gängige Einsatzhärtetiefen liegen bei 0,1 bis 2,5 mm, wir haben aber auch Werkstücke mit extremen Einsatzhärtetiefen von über 6,0 mm im Portfolio.

Werden der Ofenatmosphäre neben Kohlenstoff auch noch zusätzlich Stickstoffträger (Ammoniak) hinzugegeben, dann wird vom Carbonitrieren gesprochen. Die Stickstoffatome diffundieren wie der Kohlenstoff in die Werkstoffoberfläche und sorgen für eine Härtesteigerung. Der Vorteil des Carbonitrierens ist, dass auch billigere, unlegierte Stähle sowie Automaten- und Tiefziehstähle oberflächengehärtet werden können.

Nach dem Härtevorgang wird das Bauteil angelassen. Das Anlassen ist erforderlich, um die im Bauteil entstandenen Spannungen zu mindern und die geforderte Gebrauchsfestigkeit einzustellen. Einsatzhärten bei der Hanomag Lohnhärterei Unternehmensgruppe erfolgt im Gasstrom oder im Salzbad. Beim Salzbad besteht die Möglichkeit der partiellen Härtung, ohne vorher bestimmte Bereiche des Werkstückes zu isolieren. Eine harte, verschleißbeständige Randschicht und ein zäher Kern machen dieses Verfahren zur bevorzugten Wärmebehandlung für alle Getriebeteile.

Vorteile des Einsatzhärtens

  • Verbesserung der mechanischen Eigenschaften
  • Erhöhter Verschleißwiderstand 
  • Zäher Kern
  • Nicht zu härtende Bereiche können abgedeckt werden

GASNITRIEREN / -CARBURIEREN

Beim Nitrieren wird die Randschicht eines Werkstoffes mit Stickstoff angereichert. Wird zusätzlich Kohlenstoff eindiffundiert, spricht man vom Nitrocarburieren.

Die Prozesstemperaturen beim Nitrieren liegen zwischen 480 und 580 °C. Die Behandlung bewirkt, abhängig vom Werkstoff, eine Oberflächenhärte von bis zu 1200 HV. Aufgrund der relativ geringen Behandlungstemperaturen kommt es nicht zur Gefügeumwandlung, wie z.B. beim Härten. Das erklärt auch, warum es beim Nitrieren nur geringe Maß- und Formänderungen gibt.

Der Effekt der Härtesteigerung wird beim Nitrieren nicht durch einen klassischen Härtevorgang erreicht. Die Härtesteigerung beruht auf der Bildung von Eisennitriden und Sondernitriden in der Randschicht des Bauteils.

Der Schichtaufbau bei Nitrieren ist zweiteilig. Im äußeren Bereich besteht sie aus der sogenannten Verbindungsschicht, die eine Dicke von ca. 5 -20 µm erreicht und fast ausschließlich aus Eisennitriden besteht. Unter der Verbindungsschicht liegt eine Ausscheidungsschicht, welche die Verbindungsschicht abstützt. An dieser Stelle liegen Sondernitride vor, welche die Härtesteigerung bewirken. Die Tiefe der Ausscheidungsschicht korreliert mit der Tiefe der Verbindungsschicht.
 

Für das Verfahren des Nitrierens gelten folgende Rahmenbedingungen:

Je länger die Prozessdauer, desto größer die Nitrierhärtetiefe und je höher die Temperatur gewählt wird, desto tiefer kann der Stickstoff eindringen. Allerdings sinkt die Eigenhärte der Nitrierschicht mit zunehmender Behandlungsdauer. Um diese Verfahrensparameter optimal auf den Werkstoff abzustimmen, braucht es Zeit, Erfahrung und Versuche. Das Ergebnis ist im Anschluss ein stabiler Nitrierprozess mit reproduzierbaren Werten.

Vorteile des Gasnitrierens

  • Erhöhter Verschleißwiderstand
  • Geringe  Maß- und Formänderungen
  • Stabiler Prozess
  • Nicht zu härtende Bereiche können abgedeckt werden

 

 

FLAMMHÄRTEN

Das Flammhärten ist ein Randschichthärteverfahren zum Härten der Werkstoffoberfläche mit anschließendem Anlassen bei niedrigen Temperaturen. Durch das Flammhärten werden an Bauteilen mit zähem Kern hohe Oberflächenhärten von bis zu 800 HV erzielt. Voraussetzung ist, dass die Werkstoffe bereits im Grundzustand einen Mindestkohlenstoffgehalt von 0,4 - 0,6 % besitzen (ISO EN 8670). Die Erwärmung zum Austenitisieren der Bauteiloberfläche erfolgt über Strahlungswärme mit Hilfe von Erdgas-Brennern. Nach der Austenistisierung erfolgt die Abschreckung je nach Härteverfahren und Werkstoff mit Wasser, speziellem Härteöl, synthetischem Abschreckmittel oder Pressluft.

Bei der Flammhärtung werden in der Regel nur die einem besonderen Verschleiß unterworfenen Teilflächen eines Bauteils gehärtet. Zusätzlich wird durch die im randnahen Bereich induzierten Druckspannungen auch noch die Dauer- und Wälzfestigkeit erhöht. Aufgrund der vorhandenen technischen Möglichkeiten und des internen Brennerbaus ist die Hanomag Lohnhärterei am Standort Gevelsberg in der Lage, sehr große Werkstücke zu behandeln:

Umlaufhärtung: Durchmesser 2000 mm x 950 mm hoch, bis 7.000 kg

Umlaufvorschub: Durchmesser 650 mm x 5.000 mm lang, bis 10.000 kg

Die Hanomag Lohnhärterei Unternehmengruppe ist einer der wenigen Anbieter in Europa, die dieses besondere Verfahren beherrschen.

Vorteile des Flammhärtens

  • Große sperrige Bauteile oder Einzelteile können gehärtet werden
  • Der Übergang der Einhärtungstiefe zum Ausgangszustand ist sanfter, so dass unterhalb der Härtezone bei hoher Ausgangsfestigkeit kein abrupter Übergang entsteht
  • Bei der Umlaufhärtung können hohe Erwärmungstiefen erzielt werden
  • Flexibel, kein Induktorbau notwendig
     

GLÜHEN

Als Glühprozess versteht man die Behandlung eines Werkstückes bei festgelegter Temperatur, unter Berücksichtigung einer definierten Haltezeit und die anschließende Abkühlung. Man unterscheidet zwischen folgenden Glühverfahren:

Das Normalglühen wird hauptsächlich nach vorausgegangener Warmumformung von Bauteilen vorgenommen. Das Erwärmen erfolgt auf eine Temperatur etwas oberhalb der Härtetemperatur mit einem anschließenden Abkühlen an ruhender Atmosphäre. Durch das Normalglühen soll die Einstellung eines feinkörnigen Ferrit-Perlit-Gefüges erreicht werden. Dadurch können grobkörnige und ungleichmäßige Gefügestrukturen in neue, homogene und feine Strukturen überführt werden. Diese Art der Wärmebehandlung wird ca. 20-50° C oberhalb der Umwandlungstemperatur AC3, bei der die Austenit-Ferrit-Umwandlung stattfindet, durchgeführt. Das Spannungsarmglühen dient dem Abbau von Eigenspannungen im Werkstück als Folge von Kaltverformung, Gefügeumwandlung, thermischer Beanspruchung oder spanabhebender Bearbeitung. Das Spannungsarmglühen wird üblicherweise zwischen 450-650°C bei ausreichend langen Haltezeiten und nachfolgender sehr langsamer Abkühlung durchgeführt ohne wesentliche Änderungen des Gefüges und der mechanischen Eigenschaften.

Unter Weichglühen versteht man ein Glühen bei einer Temperatur dicht unterhalb des unteren Umwandlungspunktes mit anschließender, langsamer Abkühlung, um einen möglichst weichen Zustand zu erzielen. Hierbei soll körniger Perlit entstehen, ein weiches Gefüge, welches die beste Verarbeitbarkeit bei spanloser Umformung und bei Zerspanung ergibt. Dies geschieht über mehrere Stunden dicht unterhalb der AC1 Temperatur. Das GKZ-Glühen, das Glühen auf kugeligem Zementit, ist auch ein Weichglühvorgang, wobei allerdings durch ein Pendelglühen mit anschließender, langsamer Abkühlung ein möglichst hoher Einformgrad der Karbide erzielt wird. Hierbei wird ein Gefüge bestehend aus Zementitkörnern in ferritischer Grundmasse angestrebt, welches die beste Verarbeitbarkeit ergibt. Diese Behandlung ist z.B. für ein nachfolgendes Kaltmassivumformen von großer Bedeutung.

Das Grobkornglühen, auch Hochglühen genannt, findet bei einer Temperatur oberhalb der Härtetemperatur mit einer zweckentsprechenden Abkühlung statt, um ein gröberes Korn zu erzielen. Grobkornglühen hat das Ziel, die Spanbarkeit von Bauteilen zu verbessern, die einer großen spanabhebenden Formgebung unterliegen. Dies geschieht bei Temperaturen zwischen 950 und 1200 °C. Die Haltezeit muss ausreichend lang sein, um eine gewollte Kornvergröberung zu erlangen. Da Kornwachstum mit einer Verschlechterung der Bauteileigenschaften einhergeht, muss der Gefügezustand im Zuge der Endwärmebehandlung (Härten, Vergüten, Einsatzhärten, usw.) durch Phasenumwandlung wieder in einen feinkörnigen Zustand überführt werden. Das Diffusionsglühen ist ein Glühen bei sehr hohen Temperaturen im Rekristallisationsgebiet. Das Ziel ist es, z.B. die durch die Kaltumformung eingetretenen Eigenschafts- und Gefügeveränderungen partiell oder vollständig rückgängig zu machen. Durch das Diffusionsglühen sollen lokale, durch Seigerungen entstandene, Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung von Stählen und Gusswerkstoffen ausgeglichen werden, ohne dass eine Gefügeumwandlung stattfindet. Dies geschieht durch Glühen im Temperaturbereich von 1000 – 1300 °C.

Das Lösungsglühen wird vorwiegend bei austenitischen Stählen zum Lösen ausgeschiedener Bestandteile in Mischkristallen und zur Eliminierung von Spannungen bei vorausgegangener Kaltverfestigung eingesetzt. Das Lösungsglühen wird durchgeführt, um gleichmäßige, homogene Gefüge- und Werkstoffeigenschaften zu erhalten. Im Falle von Eisenwerkstoffen wird die Glühung im Temperaturbereich zwischen 950 und 1200 °C, bei NE-Metallen im Bereich von 460 – 540 °C durchgeführt.

Vorteile des Glühens

  • Verbesserung der mechanischen Eigenschaften
  • Optimierung der mechanischen Bearbeitung (spanlose und spanabhebende)
  • Verbesserung der Gefügezustände zur Kaltumformung
  • Verringerung der Be- und Verarbeitungsspannung
  • Wiederherstellung des Ausgangszustandes

INDUKTIVHÄRTEN

Das Induktivhärten gehört, wie das Flammhärten, zur Gruppe der Randschichthärteverfahren.

Die Erwärmung des Bauteiles erfolgt hier jedoch mittels elektrischer Wechselspannung, welche im randnahen Bereich durch Induktion Wärme erzeugt. Hierbei wird die Randhärtetiefe in erster Linie von der Frequenz bestimmt. In der Hanomag Lohnhärterei Unternehmensgruppe stehen unterschiedliche CNC-gesteuerte Hoch- und Mittelfrequenz-Anlagen zur Verfügung, deren Programmsteuerung ein hohes Maß an Reproduzierbarkeit ermöglicht – nicht nur bei Serienteilen.

Da für das Erreichen der gewünschten Härte in erster Linie der Kohlenstoff maßgebend ist, kommen für das Induktivhärten neben den Vergütungsstählen ab einem Kohlenstoffgehalt von ca. 0,4 % auch höherlegierte und hochlegierte Werkstoffe, wie z.B. X155CrVMo12 in Frage.

Vorteile des Induktivhärtens

  • Bedarfsgerechte partielle Härtung
  • Kurze Prozesszeiten
  • Relativ geringe Maß- und Formänderungen
  • Mit Hilfe der CNC Steuerung hohe Reproduzierbarkeit

NIEDERDRUCKAUFKOHLEN

Die Niederdruckaufkohlung mit anschließender Abschreckung ist eine spezielle Form der Einsatzhärtung. Im Vergleich zum Einsatzhärten im Gas kann durch die Vorteile der Vakuumtechnik die Aufkohlungstemperatur bis 1070 °C gewählt werden. Dadurch wird die Zyklusdauer speziell für hohe Einsatzhärtungstiefen deutlich reduziert.

Beim Niederdruckaufkohlen wird das richtige Kohlenstoffprofil im Werkstück für die jeweilige Einsatzhärtungstiefen mit abwechselnden Aufkohlungs- und Diffusionsschritten präzise eingestellt. Anschließend wird die Charge auf Härtetemperatur abgesenkt und mittels der Hochdruckgasabschreckung gehärtet. Die Werkstücke erhalten durch das Niederdruckaufkohlen eine hohe Randhärte und einen zähen Kern, also optimale Eigenschaften für hohe Belastungen im späteren Einsatz. Durch die Wahl des Acetylens als Aufkohlungsgas und eines sehr niedrigen Behandlungsdrucks wird die Rußbildung, die in früheren Zeiten ein Problem dieser Technik war, vollständig vermieden. Bei der Hanomag Lohnhärterei findet das Niederdruckaufkohlungsverfahren am Standort Gommern in einem Ein-Kammer-Vakuumofen statt. Die Ofenkammer besitzt eine Breite von 910 mm. Das maximale Chargengewicht beträgt 1.500 kg.

Vorteile des Niederdruckaufkohlens

  • Optimale Gleichmäßigkeit bei komplizierten Bauteilgeometrien und dichter Chargierung
  • Randoxidationsfreie Oberfläche
  • Saubere und blanke Oberflächenbeschaffenheit (strahlen entfällt)
  • Präzise Einstellung der Einsatzhärtetiefen von 0,05 mm bis zu einigen Millimetern

PLASMANITRIEREN / -CARBURIEREN

Das Plasmanitrieren ist ein Verfahren, welches in Unterdruckatmosphäre (Vakuum) durchgeführt wird. Beim Plasmanitrieren wird das Bauteil als Kathode geschaltet, die Anlagenwand dient als Anode. Hierüber entsteht eine ionisierte Gasatmosphäre. Infolge der anliegenden Spannung zwischen Charge und Gehäuse werden die Stickstoffmoleküle ionisiert (Glimmentladung), in Richtung des Werkstückes beschleunigt und an der Oberfläche dissoziiert. Die Stickstoffatome diffundieren in das Werkstück und bilden eine harte Diffusionszone sowie eine korrosionsbeständige Verbindungsschicht auf der Bauteiloberfläche. Es wird mit gepulstem Gleichstrom gearbeitet, das Bauteil erwärmt sich eigenständig durch den Prozess selbst.

Beim Plasmanitrieren sind der Chargenaufbau und das Prozesswissen ausschlaggebend für den Erfolg der Wärmebehandlung und beeinflusst stark die Qualität des Endproduktes. Mit dem Plasmanitrieren kann der Aufbau der Verbindungsschicht dem jeweiligen Beanspruchungsprofil des Bauteils exakt angepasst werden. Die Härte, die Zähigkeit, der Korrosionswiderstand sowie Adhäsions- und Abrasionseigenschaften können individuell variiert und justiert werden.

Vorteile des Plasmanitrierens

  • Variierbare Verbindungsschicht
  • Unterdrückbarkeit der Verbindungsschicht 
  • Geringe  Maß- und Formänderungen
  • Minimale Toleranzen
  • Umweltfreundlich, keine toxischen Nebenprodukte
     

SALZBADNITROCARBURIEREN

Tenifer®-Verfahren TF1, Q, QP, QPQ

Als TENIFER-Verfahren (TF1) bezeichnet man das Salzbad-Nitrocarburieren von Bauteilen in einer flüssigen Salzschmelze bei Temperaturen um die 580° C.

Neben der Einlagerung von Stickstoff diffundiert bei jeder TF1-Behandlung immer auch Kohlenstoff in die Oberfläche mit ein. Dies ist ein wesentlicher Grund für die positiven, spezifischen Randzoneneigenschaften salzbadbehandelter Bauteile. Das TF1-Verfahren ist heute das am weitesten verbreitete Verfahren zum Nitrocarburieren in Salzbädern, nicht zuletzt aufgrund seiner guten Umweltverträglichkeit. In vielen Fällen ist das TF1-Verfahren eine Alternative zu anderen Härteverfahren, wie Einsatzhärten oder Hartverchromen, bei gleicher oder verbesserter Qualität und für Einzelteile bestens geeignet.

Durch eine oxidierende Nachbehandlung im sogenannten AB1 Bad kann die Korrosionsbeständigkeit verbessert werden (Q). Eine weitere Optimierung kann durch eine anschließende Zwischenbearbeitung (Polieren) erzielt werden (QP) oder durch eine Zwischenbearbeitung (Polieren) mit nochmaliger Behandlung im AB1 Bad (QPQ). QPQ bedeutet Quench-Polish-Quench und beinhaltet somit die Tenifer-Behandlung in Kombination mit einer 2-maligen oxidierenden Abkühlung und einer Zwischenbearbeitung (Polieren). Die Bauteile erhalten durch die Oxidation eine ästhetische schwarze Oberfläche, deren Korrosionswiderstand in vielen Fällen galvanischen Randschichten überlegen ist.

Vorteile des Salzbadnitrocarburieren

  • Kurze Behandlungszeiten
  • Gute Notlaufeigenschaften
  • Hoher Verschleisswiderstand
  • Verbesserte Korrosionsbeständigkeit
  • Ästhetische schwarze Oberfläche

SolNit

Unter dem Solution-Nitriding-Verfahren – kurz SolNit – versteht man das Randaufsticken von rost- und säurebeständigen Stählen. Durch die Einlagerung von atomarem Stickstoff werden an endformnahen Bauteilen hochstickstoffhaltige, austenitische oder martensitische Randschichten mit hoher Härte, günstigen Eigenspannungen und hervorragenden Korrosionseigenschaften erzeugt.

Der Prozess wird in Vakuumanlagen bei Temperaturen zwischen 1050 und1150 °C in einer reinen Stickstoffatmosphäre bei einem Druck von wenigen hundert mbar durchgeführt. Die Aufstickungstiefen können variieren zwischen 0,10 mm und einigen Millimetern. Eingesetzt wird der Prozess z. B. im Bereich der Kunststoffverarbeitung, Getriebekomponenten, Wälzlagern für Turbinen, Pumpen, Ventilen oder chirurgischen Instrumenten.

Bei der Hanomag Lohnhärterei Unternehmensgruppe findet das SolNit-Verfahren in einem Ein-Kammer-Vakuumofen am Standort Gommern statt. Die Ofenkammer besitzt eine Breite von 910 mm, eine Länge von 1220 mm und eine Höhe von 910 mm. Das maximale Chargengewicht beträgt 1500 kg.

Vorteile des SolNit Verfahrens

  • Erhöhter Korrosionswiderstand
  • Deutlich höhere Härten
  • Verbesserter Verschleißwiderstand
  • Hohe Druckeigenspannung in der Randschicht
  • Erhöhte Kavitations- und Erosionsbeständigkeit
  • Reduzierter Reibungskoeffizient
  • Geringe Fressneigung

VERGÜTEN

Beim Vergüten handelt es sich um ein kombiniertes Wärmebehandlungsverfahren von Härten mit einem anschließenden Anlassen.

Die Besonderheit des Vergütens ist, dass das Anlassen bei hohen Temperaturen von bis zu 700 °C erfolgt. Durch das Anlassen scheidet sich der zwangsweise im Martensit gelöste Kohlenstoff teilweise wieder aus. Mit zunehmender Anlasstemperatur werden Zugfestigkeiten, Streckgrenzen und Härte herabgesetzt, während Dehnung, Einschnürung und Kerbschlagzähigkeit wachsen.

Beim Vergüten spricht man ebenso wie bei der Härtung, je nach dem für die Härtung verwendeten Abschreckmedium, von Wasser-, Öl- oder Luftvergütung.

Das Vergüten ist besonders bei Werkstücken sinnvoll, die dynamisch belastet werden und von denen eine hohe Zähigkeit erwartet wird. Vergütete Stähle haben aufgrund ihrer guten Festigkeiten bei gleichzeitig hoher Zähigkeit ein breites Anwendungsspektrum, alle härtbaren Stähle sind geeignet.

Vorteile des Vergütens

  • Gute Kerbschlagzähigkeit
  • Hohe Festigkeit bei gleichzeitiger hoher Zähigkeit
  • Gute Biegewechselfestigkeit